شريحة مشط تردد ضوئي جديدة تدعم تطوير الساعات الذرية المحمولة وأنظمة الملاحة

عرض باحثون مشط تردد ضوئي قائم على شريحة، يضاهي في اختبارات حاسمة الأنظمة المكتبية الكبيرة، مع السماح لجهاز واحد بتنفيذ مهام قياس متعددة، وهي خطوة مهمة نحو الساعات الذرية المحمولة وأنظمة الملاحة التي لا تعتمد على نظام GPS. يعتمد الجهاز على طريقة جديدة تسمى «المحاذاة الذاتية للمعلمات المدفوعة بالتجويف الانفرادي» (SParCS). ينتج مشط التردد الضوئي سلسلة من الترددات الضوئية متباعدة بدقة، مكوناً مسطرة يستخدمها العلماء لقياس الترددات الضوئية وربطها بالإشارات الإلكترونية. وقام باحثون من المعهد المشترك للعلوم الكمية (JQI)، والمعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST)، وشركاء دوليين، باختبار الشريحة من خلال ربط إشارات الميكروويف (التي تهتز بمليارات المرات في الثانية) بمصادر ضوئية تعمل بمئات الملايين في الثانية.

في اختبار لساعة ذرية، حولت الشريحة مرجعاً ضوئياً فائق الاستقرار إلى إشارة ميكروويف يمكن للأجهزة الإلكترونية التقليدية قراءتها. وقد بلغ تردد الضوء الأصلي المقاس مئات الملايين من التذبذبات في الثانية، مع اختلاف قدره حوالي 100,000 تذبذب في الثانية عن القيمة الذرية المتوقعة.

ابتكار طريقة SParCS

تحقن مشط التردد التقليدي على مستوى الشريحة عادةً ليزراً واحداً في تجويف رنان حلقي دقيق. ويمتد مشط التردد الناتج إلى الترددات على كلا الجانبين، لكن «الأسنان» الطرفية قد تصبح أضعف وأقل تحديداً، مما يتطلب معدات إضافية لتضخيمها واستقرارها. أما طريقة SParCS فتستخدم ليزرين بترددين مختلفين كحواف أو «دعائم» لمشط التردد. وتتشكل الترددات الأخرى بينهما. وجمع الباحثون بين هذه الطريقة وتقنية مزامنة لمحاذاة خطوط التردد في مشط تردد قابل للاستخدام. وقد حلت هذه المشكلة التي ظهرت عندما عرض الفريق لأول مرة المحفز الانفرادي المدفوع بالمعلمات في عام 2024.

أنتج ذلك التجربة عدة مجموعات من خطوط التردد المتداخلة، مما جعل الجهاز صعب الاستخدام في القياسات العملية. كما مكن التصميم ذي الليزرين الباحثين من إنشاء مشط تردد يمتد على مدى أوكتاف، مما يعني أن أعلى تردد فيه يبلغ تقريباً ضعف أدنى تردد. وهذا النطاق بالغ الأهمية لتحديد إزاحة التردد الصفري لمشط التردد، وهو معايرة مطلوبة لإجراء قياسات تردد دقيقة.

مقارنة أداء الشريحة

قارن الباحثون الشريحة مباشرة مع مشط تردد مكتبي تقليدي، باستخدام نفس مصادر الميكروويف والضوء. وفي نطاق اختبارهم، كانت الترددات التي تولدها الشريحة تضاهي استقرار النظام الكبير وأداء الضوضاء فيه تقريباً. كما أجرى الفريق تحويلاً عكسياً، حيث حولوا استقرار المصدر الضوئي إلى إشارة ميكروويف. وباستخدام مرجع ليزر منخفض الضوضاء، أنتجت الشريحة ميكروويف منخفض الضوضاء، وهي قدرة قد تفيد أيضاً الرادار وأنظمة القياس الدقيقة الأخرى. والأهم أن الباحثين استخدموا الشريحة نفسها في عروض مختلفة، مع تغيير المصدر الضوئي المتصل فقط، بدلاً من تصنيع مشط تردد دقيق مخصص لكل تطبيق.

قال عالم الأبحاث في JQI، غريغوري مويل: «بصفتي مجرباً، فإن مشط التردد الضوئي الجديد هذا يبسط الكثير من عملنا، فهذا النظام يتيح لمشغل واحد فقط التعامل مع كل تطبيق.»

أشار الباحثون إلى أن تجارب مشط التردد القائمة على الشريحة كانت تتطلب سابقاً عدة أشخاص لأسابيع أو أشهر للحصول على نتائج عملية. وقد نقل مختبرهم الآن معظم تجارب مشط التردد الدقيق إلى SParCS، واستقروا أكثر من 10 أضعاف عدد مشطات التردد الدقيقة مقارنة بجميع السنوات السابقة مجتمعة، خلال العام الماضي. ولا يزال الفريق يخطط لتوسيع نطاق التردد، ودراسة ما إذا كان يمكن لهذه الطريقة أن تعمل في النهاية بليزر واحد. وقد نُشر البحث في مجلة «نيتشر» (Nature).

تأثير الشريحة الجديدة على قياس التردد

يمثل ظهور شريحة مشط التردد الضوئي الجديدة تقدماً كبيراً في تكنولوجيا قياس التردد. ومن خلال طريقة SParCS، نجح الباحثون في تعزيز استقرار مشط التردد ودقته، مما يجعل تحقيق الساعات الذرية المحمولة وأنظمة الملاحة أكثر قابلية للتنفيذ. ولا تبسط هذه التقنية العملية التجريبية فحسب، بل ترفع أيضاً كفاءة التجارب بشكل كبير، وتحمل قيمة تطبيقية محتملة لأنظمة القياس الدقيقة المستقبلية مثل الرادار. ومع تعمق البحث، إذا أمكن تحقيق التشغيل بليزر واحد، فسيؤدي ذلك إلى مزيد من نشر هذه التقنية وتطبيقها.